一种燃烧室壁面的复合热防护结构及旋转爆震发动机制造技术

本发明专利技术提供一种燃烧室壁面的复合热防护结构，包括了被动热防护和主动热防护，被动热防护包括隔热层和柔性耐烧蚀防护层；主动热防护通过使燃油经燃烧室进入分布在柔性耐烧蚀防护层内的冷却通道轴向流动，通过对流换热吸收热量后再次进入燃烧室参与燃烧，利用了燃油吸热进行冷却，又能够帮助燃油升温从而有利于点火启动、组织燃烧，提高燃烧效率。发散孔呈倾斜角贯穿被动热防护材料，既可以帮助柔性耐烧蚀防护层的材料受热裂解后的小分子气体溢出，又可以防止燃气倒灌、达到气膜出流贴壁效果。本发明专利技术能够改善燃烧室的热防护性能，提高了燃烧室的可靠性，有助于增加燃烧室的使用寿命。本发明专利技术同时提供具有该复合热防护结构的旋转爆震发动机。

A Combustion Chamber Wall Composite Thermal Protection Structure and Rotary Detonation Engine

The invention provides a composite thermal protection structure for the wall of a combustion chamber, which includes passive thermal protection and active thermal protection, passive thermal protection includes thermal insulation layer and flexible ablation protection layer, and active thermal protection participates in combustion by making fuel flow through the combustion chamber into a cooling passage distributed in the flexible ablation protection layer, absorbing heat through convective heat transfer and re-entering the combustion chamber to participate in combustion. The use of fuel heat absorption for cooling can also help fuel to heat up, which is conducive to ignition start, organization of combustion and improvement of combustion efficiency. The divergent holes penetrate passive thermal protection materials at an inclined angle, which can not only help the materials of flexible ablative protection layer to overflow small molecules of gas after thermal cracking, but also prevent gas backfilling and achieve the effect of film outflow adherence. The invention can improve the thermal protection performance of the combustion chamber, improve the reliability of the combustion chamber, and help to increase the service life of the combustion chamber. The invention also provides a rotary detonation engine with the composite thermal protection structure.

【技术实现步骤摘要】
一种燃烧室壁面的复合热防护结构及旋转爆震发动机
本专利技术属于航空发动机冷却结构设计与热防护
本专利技术还属于航空发动机结构设计的

技术介绍
旋转爆震发动机(RotatingDetonationEngine,RDE)是一种基于爆震燃烧机理的新型发动机，通常采用一端封闭一端开口的圆环形燃烧室，推进剂从燃烧室的封闭端喷入，燃烧产物从另一端排出。工作时产生高速旋转的爆震波，从燃烧室头部沿周向旋转传播，随着燃烧产物的高速排出产生推力。相比于传统发动机，具有结构简单、研制成本低、大比冲、高推重比等优点，具有良好的发展前景，也逐渐成为国际和国内研发新型高效航空航天发动机的热点。爆震波在环形燃烧室内进行高速旋转传播时，其速度在1200～2500m/s，燃烧振荡频率达数万赫兹，燃烧室内温度更是高达1500～2500℃，而目前最先进的耐高温复合材料C-C和SiC的最大耐热温度为2200K。随着爆震波的连续高速旋转，爆震产物与燃烧室壁面之间会发生强烈的热交换，使壁面温度急剧上升，壁面热流密度高达0.6MW/m2。由于缺少有效的冷却保护，旋转爆震发动机工作时间往往较短。现有的研究表明，热防护技术已经成为制约旋转爆震发动机发展的关键因素。因此，开展旋转爆震发动机热防护方案的研究是目前亟需进行的工作之一。燃烧室沿轴向的中段和后段平均热流密度最大，是实施热防护的重要部位。现有的热防护技术主要是被动热防护，如耐温橡胶和SiC构建的防护层。但是随着旋转爆震发动机工作时间的延长，被动防护层厚度需要大幅增加，这无疑对燃烧室容积和发动机重量带来影响，也无法保证热防护的实施效果。主动热防护依靠低温流体对燃烧室结构进行冷却，但是冷却剂流量受限，冷却能力也受限。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术公开的是一种主被动结合的复合热防护结构，用以提高燃烧室壁面的抗热冲击时间，在不增加热防护层厚度的前提下充分挖掘其冷却潜力，利用有限的燃料作为再生冷却的载体，提高燃料的冷却用效能可以大大提高防护层的使用寿命，延长爆震发动机的安全运行时间。本专利技术同时提供一种含有复合热防护结构的爆震发动机。技术方案：为达到上述目的，本专利技术燃烧室壁面的复合热防护结构可采用如下技术方案：一种燃烧室壁面的复合热防护结构，该结构实施在燃烧室外壁内部，按照由外向内的顺序依次布置柔性耐烧蚀防护层，隔热层和高发射率涂层；柔性耐烧蚀防护层内部沿着燃烧室轴向布置流通通道；在隔热层上布置多个发散孔；该发散孔向内延伸贯穿高发射率涂层并与燃烧室内部连通；燃烧室的横截面为圆形，发散孔延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角。有益效果：燃烧室壁面一方面要承受爆震波高温燃气对壁面的高频冲刷，另一方面要承受发光火焰的强烈辐射加热，因此，此区域壁面所受热流密度极高，且具有非定常脉动特性。单纯依靠耐温材料来进行热防护已经远远不能达到要求。为了解决这个难题，采用被动热防护+燃油再生主动冷却复合冷却结构，依靠材料耐烧蚀特性和隔热效果实现对发动机金属壁面的保护，依靠低温煤油在注入燃烧室前先流入分布在燃烧室内壁柔性耐烧蚀防护层内布置的再生流通通道，对高温壁面进行冷却降温。高发射率涂层可以通过高辐射减少通过隔热层达到柔性热耐烧蚀防护层的热量，这部分热量进入柔性耐烧蚀防护层后通过耐烧蚀材料和低温煤油带走。其中耐烧蚀材料达到一定温度后会通过熔融、气化等方式慢慢裂解成小分子气体，这些气体通过隔热层上的离散小孔排出带走热量，并通过倾斜小孔在复合壁表面形成气膜，也可以进一步阻挡高温燃气。低温煤油通过燃油泵的抽吸可以实现其在流通通道内的单向运行，达到最佳的持续冷却效果。这一操作具有双重作用，一方面可以是的低温煤油通过对流换热有效吸收热量，延长耐烧蚀材料的使用时间，另一方面低温煤油吸收热量后自身温度升高，有利于其进入燃烧室内的充分燃烧。综上所述，该专利技术的优点在于：复合防护结构简单，易于实现燃烧室壁面温度梯度小，壁面温度低；航空煤油重复单向流出，对流换热率高；耐烧蚀材料溢出的气体回到燃烧室内形成隔热气膜；航空煤油执行过冷却任务后温度升高更利于组织燃烧。进一步的，还包括位于燃烧室外壁上并与燃烧室内直接连通的喷油孔；该喷油孔的外侧通过油管与流通通道连通。进一步的，还包括同样与流通通道连通的油箱，油箱中的发动机燃油自流通通道进入油管后自喷油孔喷入燃烧室内。进一步的，高发射率涂层发射率为0.8～0.95。进一步的，柔性耐烧蚀防护层从隔热层吸收热量后，一部分热量被低温煤油经矩形流通通道带走，另一部分热量通过柔性耐烧蚀防护层在高温下裂解产生的小分子气体带走，这部分气体通过发散孔经隔热层和发射率涂层溢出。进一步的，发散孔直径在0.5～1.0mm之间，发散孔延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角为20°～40°，发散孔轴向排列间距与周向排列间距比为1.5～3.5。进一步的，柔性耐烧蚀防护层选用材料为耐烧蚀硅橡胶、多向编织C-C复合材料、硅基复合材料中的一种；隔热层的材料为有机硅和陶瓷材料；流通通道的截面形状为正方形、长方形、圆形中的一种或几种；通道流通截面宽度与耐温橡胶截面宽度的比值为0.5～2。本专利技术提供的爆震发动机可采用如下技术方案：一种旋转爆震发动机，包括燃烧室，该燃烧室的横截面为环形，且燃烧室具有圆柱形的外壁及圆柱形的内壁；外壁及内壁之间形成燃烧室内部；外壁上设有与燃烧室内部直接连通的喷油孔；其特征在于，所述燃烧室内壁内侧设置复合热防护结构；该复合热防护结构按照由外向内的顺序依次布置柔性耐烧蚀防护层、隔热层和高发射率涂层；柔性耐烧蚀防护层贴靠于外壁内表面；柔性耐烧蚀防护层内部沿着燃烧室轴向布置流通通道；在隔热层上布置多个发散孔；该发散孔向内延伸贯穿高发射率涂层并与燃烧室内部连通；外壁上还设有与流通通道连通的油箱及油管，喷油孔的外侧通过油管与流通通道连通；油箱中的发动机燃油自流通通道进入油管后自喷油孔喷入燃烧室内。进一步的，高发射率涂层发射率为0.8～0.95。柔性耐烧蚀防护层从隔热层吸收热量后，一部分热量被低温煤油经矩形流通通道带走，另一部分热量通过柔性耐烧蚀防护层在高温下裂解产生的小分子气体带走，这部分气体通过发散孔经隔热层和发射率涂层溢出。本专利技术提供的旋转爆震发动机采用了被动热防护+燃油再生主动冷却复合冷却结构，依靠材料耐烧蚀特性和隔热效果实现对发动机金属壁面的保护，依靠低温煤油在注入燃烧室前先流入分布在燃烧室内壁柔性耐烧蚀防护层内布置的再生流通通道，对高温壁面进行冷却降温。高发射率涂层可以通过高辐射减少通过隔热层达到柔性热耐烧蚀防护层的热量，这部分热量进入柔性耐烧蚀防护层后通过耐烧蚀材料和低温煤油带走。其中耐烧蚀材料达到一定温度后会通过熔融、气化等方式慢慢裂解成小分子气体，这些气体通过隔热层上的离散小孔排出带走热量，并通过倾斜小孔在复合壁表面形成气膜，也可以进一步阻挡高温燃气。低温煤油通过燃油泵的抽吸可以实现其在流通通道内的单向运行，达到最佳的持续冷却效果。这一操作具有双重作用，一方面可以是的低温煤油通过对流换热有效吸收热量，延长耐烧蚀材料的使用时间，另一方面低温煤油吸收热量后自身温度升高，有利于其进入燃烧室内的充分燃烧。附图说明图1为旋转爆震燃烧室的结构示意图；图2为图1的剖面示意图；图3为燃油再生冷却结构示意图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于，该结构实施在燃烧室外壁(2)内部，按照由外向内的顺序依次布置柔性耐烧蚀防护层(12)，隔热层(9)和高发射率涂层(8)；柔性耐烧蚀防护层(12)内部沿着燃烧室轴向布置流通通道(11)；在隔热层(9)上布置多个发散孔(10)；该发散孔向内延伸贯穿高发射率涂层(8)并与燃烧室内部连通；燃烧室的横截面为圆形，发散孔(10)延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角。

【技术特征摘要】
1.一种燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于，该结构实施在燃烧室外壁(2)内部，按照由外向内的顺序依次布置柔性耐烧蚀防护层(12)，隔热层(9)和高发射率涂层(8)；柔性耐烧蚀防护层(12)内部沿着燃烧室轴向布置流通通道(11)；在隔热层(9)上布置多个发散孔(10)；该发散孔向内延伸贯穿高发射率涂层(8)并与燃烧室内部连通；燃烧室的横截面为圆形，发散孔(10)延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角。2.根据权利要求1所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：还包括位于燃烧室外壁上并与燃烧室内直接连通的喷油孔(5)；该喷油孔(5)的外侧通过油管(14)与流通通道(11)连通。3.根据权利要求2所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：还包括同样与流通通道(11)连通的油箱，油箱中的发动机燃油自流通通道进入油管后自喷油孔喷入燃烧室内。4.根据权利要求1或2或3所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：高发射率涂层(8)发射率为0.8～0.95。5.根据权利要求1或2或3所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：柔性耐烧蚀防护层(12)从隔热层(9)吸收热量后，一部分热量被低温煤油经矩形流通通道(11)带走，另一部分热量通过柔性耐烧蚀防护层(12)在高温下裂解产生的小分子气体带走，这部分气体通过发散孔(10)经隔热层(9)和发射率涂层(8)溢出。6.根据权利要求5所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：发散孔(10)直径在0.5～1.0mm之间，发散孔(10)延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角为20°～40°，发散孔(10)轴向排列间距与周向排列间距比为1.5～3....

【专利技术属性】
技术研发人员：谭晓茗，张靖周，张义宁，宫继双，单勇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32